冲蚀磨损
陶瓷材料冲蚀磨损的研究
第２ ３卷第 ３ 期 ２０ ０２年 ９月
陶瓷学报
Ｊ ＵＲ ＡＬ ＯＦ Ｃ Ｒ Ｏ Ｎ Ｅ ＡＭＩ Ｓ Ｃ
Ｖｏ ：００ ２ ８２０ ）３ １９—０ １０ —２７ （０２ ０ —０ ６ ５
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冲蚀磨损
摘要冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。
它广泛存在于多种工业生产之中，造成的设备损坏给生产带来了巨大损失。
由于我国电站锅炉和工业锅炉以燃煤为主，冲蚀磨损对锅炉管壁的磨损尤为严重。
为控制损失的产生及加剧，近年来国内外专家学者对此进行了多方面的研究。
热喷涂技术对锅炉管道进行表面强化处理已被广泛采用。
但是现有的涂层还不能满足需要，开发性能优良的涂层，需要更好测试方法来对其进行检测。
常温下冲蚀磨损的测试方法并不适用于高温环境，而在我国尚缺少一种科学的高温冲蚀磨损测试方法，从而严重影响了高性能耐磨蚀涂层的测试与研发。
本文的目的便是设计并制造出一种与燃煤锅炉工况相符的新型高温冲蚀磨损试验装置，并对其进行调试，以便用其对热喷涂涂层的耐高温冲蚀性能进行测试。
试验结果表明，自行研制的高温磨粒磨损试验装置操作方便，运行稳定，数据可靠；涂层高温磨粒磨损试验中，关键词高温冲蚀磨损；热喷涂涂层；离心式磨损试验机ABSTRACT Key words1. 绪论1.1课题背景冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。
它广泛存在于机械、冶金、能源、建材、航空、航天等许多工业部门,已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一[1] 。
据有关资料统计：在所有发生事故的锅炉管道中约有1/3是由于冲蚀磨损造成的；在用管道输送物料的气动运输装置中, 弯头处的冲蚀磨损比直通部分的磨损大约严重50倍；泥浆泵、杂质泵的过流部件损坏约有50%以上是由冲蚀磨损引起的[2]。
我国电站锅炉和工业锅炉以燃煤为主。
动力用煤质量低劣，含灰量和含硫量均较高,特别是燃煤电厂的高温高压燃煤锅炉的水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管(简称锅炉“四管”)因受高温氧化、热腐蚀和冲蚀的影响，壁厚减薄严重，极易造成泄漏和爆管事故,给锅炉的运行带来了多方面的损失。
磨损及磨损理论
第一节 概 述
任何机器运转时，相互接触的零件之间都将因相对运动而产 生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果。由于磨损，将造成 表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零件的使用 寿命。从材料学科特别是从材料的工程应用来看，人们更重视 研究材料的磨损。据不完全统计，世界能源的1／3～1／2消耗 于摩擦，而机械零件80％失效原因是磨损。
表表面面存存在在明明显显粘粘着着痕痕迹迹和和材材料料转转移移，，有有较较大大粘粘着着坑坑块，块在，高在速高重速 载重下载，下大，量大摩量擦摩热擦使热表使面表焊面合焊，合撕，脱撕后脱留后下留片下片片粘片着粘坑着。坑。
黏黏着着坑坑密密集集，，材材料料转转移移严严重重，，摩摩擦擦副副大大量量焊焊合合，，磨磨损急损剧急增剧加增，加， 摩摩擦擦副副相相对对运运动动受受到到阻阻碍碍或或停停止止。。 材材料料以以极极细细粒粒状状脱脱落落，，出出现现许许多多““豆豆斑斑””状状凹凹坑坑。。
所以磨损是机器最常见、最大量的一种失效方式。据调查轮，胎压联痕(SEM 邦德国在1974年钢铁工业中约有30亿马克花费在维修上，其5中000X) 直接由于磨损造成的损失占47%，停机修理所造成的损失与磨损 直接造成的损失相当，如果再加上后续工序的影响，其经济损失 还需加上10%一20%。
摩擦痕迹 (350X)
此时虽然摩擦系数增大，但是磨损却很小，材料迁移也不显著。通常 在金属表面具有氧化膜、硫化膜或其他涂层时发生轻微粘着摩损。
(2)涂抹:
粘着结合强度大于较软金属抗剪切强度，小于较硬金属抗剪切强度。 剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属浅层内，软金属涂抹在硬 金属表面。这种模式的摩擦系数与轻微磨损差不多，但磨损程度加剧。
（3）磨损比
冲蚀与气蚀复合磨损试验研究
冲蚀与气蚀复合磨损试验研究研究背景：冲蚀（cavitation-erosion）与气蚀（erosion by gas）是常见的材料磨损形式，特别在液体和气体流动中广泛存在。
冲蚀与气蚀复合磨损由于两种磨损机制的相互作用，导致磨损加剧，大大降低了材料的使用寿命。
因此，对冲蚀与气蚀复合磨损的研究具有重要的工程应用价值。
实验设计：本实验采用模拟液体和气体流动条件的实验装置，利用高速喷嘴产生涡轮脉动流动，模拟冲蚀和气蚀环境。
选取不同材料样品，在不同流速和喷嘴角度的条件下进行磨损实验，以模拟不同工况下的应用情况。
实验方法：通过计算流体力学仿真分析喷嘴流动特性，确定合适的实验参数。
同时，利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）对实验前后样品进行表面形貌和化学成分分析，以了解材料变化及磨损情况。
实验结果与讨论：研究发现，冲蚀与气蚀复合磨损会显著增加材料的表面粗糙度，并导致局部腐蚀和微裂纹的产生。
磨损程度受流速和喷嘴角度的影响较大，随着流速的增加和喷嘴角度的变化，磨损程度呈现不同的变化趋势。
结论与展望：本实验对冲蚀与气蚀复合磨损进行了深入研究，揭示了其磨损机制和影响因素。
未来的研究可以进一步优化实验条件，并探索新型材料的耐蚀性能和磨损机制，以提高材料的耐久性和应用范围。
进一步分析冲蚀与气蚀复合磨损的影响因素，有助于优化材料的抗磨损性能。
首先，流速是一个重要的影响因素。
较高的流速会增加冲蚀和气蚀的威力，使材料更容易受到磨损。
其次，喷嘴角度也会对磨损程度产生影响。
不同角度下的液体和气体流动所产生的冲击力和剪切力不同，导致材料的磨损情况有所差异。
大量的实验数据和分析表明，不同材料对冲蚀与气蚀复合磨损的抗性存在较大差异。
例如，对于金属材料而言，具有较高硬度和抗腐蚀性能的材料往往具有较好的抗磨损能力。
此外，表面处理和涂层技术也被广泛应用于提高材料的抗磨损性能。
通过适当的表面处理，可以增加材料的表面硬度和粗糙度，使其更加耐冲蚀和气蚀。
磨损失效的主要类型、显微机制、影响因素、注意问题等
磨损失效是机械设备和零部件的三种主要失效形式———断裂、腐蚀和磨损失效形式之一。
通常磨损过程是一个渐进的过程,正常情况下磨损直接的结果也并非灾难性的,因此,人们容易忽视对磨损失效重要性的认识。
实际上,机械设备的磨损失效造成的经济损失是巨大的[1～10,15]。
美国曾有统计,每年因磨损造成的经济损失占其国民生产总值的4%。
2004年底由中国工程院和国家自然科学基金委共同组织的北京摩擦学科与工程前沿研讨会的资料显示,磨损损失了世界一次能源的三分之一,机电设备的70%损坏是由于各种形式的磨损而引起的;我国的GDP只占世界的4%,却消耗了世界的30%以上的钢材;我国每年因摩擦磨损造成的经济损失在1000亿人民币以上,仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料。
可见减摩、抗磨工作具有节能节材、资源充分利用和保障安全的重要作用,越来越受到国内外的重视。
因此,研究磨损失效的原因,制定抗磨对策、减少磨损耗材、提高机械设备和零件的安全寿命有很大的社会和经济效益。
1 磨损和磨损失效的主要类型磨损———由于机械作用造成物体表面材料逐渐损耗。
磨损失效———由于材料磨损引起的机械产品丧失应有的功能。
通常,按照磨损机理和磨损系统中材料与磨料、材料与材料之间的作用方式划分,磨损的主要类型可分为磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等类型。
1.1 磨料磨损由外部进入摩擦面间的硬颗粒或突出物在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹,产生材料的迁移而造成的一种磨损现象称为磨料磨损。
影响这种磨损的主要因素:在多数情况下,材料的硬度越高,耐磨性越好;磨损量随磨损磨粒平均尺寸的增加而增大;磨损量随着磨粒硬度的增大而加大等。
1.2 粘着磨损在两摩擦表面相对滑动时,材料发生"冷焊"后便从一个表面转移到另一个表面,成为表面凸起物,促使摩擦表面进一步磨损的现象称为粘着磨损。
影响粘着磨损的主要因素:同类的摩擦副材料比异类材料容易粘着,采用表面处理(如热处理、喷镀、化学处理等)可以减少粘着磨损;脆性材料比塑性材料抗粘着能力高;材料表面粗糙度值越小,抗粘着能力也越强;控制摩擦表面的温度,采用的润滑剂等可减轻粘着磨损等。
fluent dpm冲蚀磨损计算过程
高质量文章撰写过程利用了高度概括性和条理性来深入了解DPM的冲蚀磨损计算过程，以满足客户的需求并提供一致的信息。
一、简介DPM是离散相模型（Discrete Phase Model）的简称。
它是一种用于模拟多相流体中颗粒动力学的数值方法。
DPM主要用于模拟多相流体中离散物质（如颗粒）的动态行为，如颗粒的运动、传热和传质等。
二、冲蚀磨损计算过程1. 设定颗粒属性在DPM冲蚀磨损计算中，首先需要设定颗粒的属性。
这包括颗粒的密度、直径、质量流率等。
这些属性将影响颗粒在流体中的运动和与固体表面的相互作用。
2. 求解颗粒运动方程DPM利用颗粒运动方程来描述颗粒在流体中的运动。
运动方程考虑了颗粒的惯性、阻力和重力等因素，可以准确地预测颗粒在流体中的轨迹和速度。
3. 计算颗粒与固体表面的相互作用在DPM中，颗粒与固体表面的相互作用是通过磨损模型来描述的。
磨损模型考虑了颗粒与固体表面之间的撞击和磨损过程，可以计算出颗粒对固体表面造成的冲蚀磨损量。
4. 分析结果并优化设计DPM计算得到的冲蚀磨损结果可以用于分析系统的耐久性和寿命，并优化设计方案，以提高系统的可靠性和使用寿命。
三、流程优化和工程应用1. 流程优化DPM冲蚀磨损计算过程中的关键是如何准确地描述颗粒在流体中的运动和与固体表面的相互作用。
需要不断优化颗粒属性和磨损模型，并对计算结果进行验证和修正，以提高计算精度和可靠性。
2. 工程应用DPM冲蚀磨损计算在航空航天、能源、化工等领域有着广泛的应用。
在气动机械中，DPM可以用于预测叶片和导向叶片受到颗粒冲蚀磨损的情况，从而指导叶片的材料选择和结构设计。
四、总结DPM冲蚀磨损计算过程通过对多相流体中颗粒动力学的数值模拟，可以准确地预测颗粒在流体中的运动和与固体表面的相互作用，从而为系统的耐久性和寿命提供可靠的计算结果。
在工程应用中，DPM可以用于优化设计，提高系统的可靠性和使用寿命。
通过不断优化流程和磨损模型，DPM冲蚀磨损计算将在更多领域发挥重要作用。
冲蚀磨损理论
1、塑性材料的微切削理论1958 年Finnie I. 提出塑性材料的微切削理论。
他认为当尖锐的磨粒划过靶材表面时，会将材料切除而产生磨损。
同时第一个给出了较完整定量表达冲蚀率与冲蚀角和冲击速度之间的关系：材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方(即磨粒的动能)成正比，与靶材的流动应力成反比，与冲角成一定的函数关系。
切削模型非常适用于塑性材料小冲角、多角形磨粒的冲蚀磨损，而对于不很典型的延性材料(例如一般的工程材料)，冲角较大(特别是冲角α＝90°)、非多角形磨粒(如球形磨粒)的冲蚀磨损则存在较大的偏差。
并且，磨粒入射速度与靶材磨损体积之间的二次方关系也不是理想数值2，而为2.2-2.4，这已在Finnie I.的有关文献中得到修正。
2、基于单点冲蚀的切削模型（绝热剪切与变形局部化磨损理论、基于应变量的模型）Hutchings于1979 年在用钢球冲击低碳钢试验中对变形唇分析，认为在高应变率下材料将产生很高的温升，首先是使变形过程绝热化，其次是变形的局部化将形成绝热剪切带，他第一次把绝热剪切与变形局部化的概念引入冲蚀磨损过程。
3、变形磨损理论1963年，Bitter提出冲蚀磨损可分为变形磨损和切削磨损两部分，90°冲击角下的冲蚀磨损和粒子冲击时靶材的变形有关。
他认为反复冲击产生加工硬化，并提高材料的弹性极限，粒子冲击平面靶的冲击应力(σ)小于靶材屈服强度(σs)时，靶材只发生弹性变形；当σ＞σs时，形成裂纹，靶材产生弹性和塑性两种变形。
他从能量的观点出发，推导出变形磨损量W D和切削磨损量W C，粒子的速度v，冲击角度α，变形磨损系数ε和切削磨损系数Q之间的代数关系式，总磨损量为两者之和。
4、弹塑性压痕破裂理论70年代末，Evans等人提出了弹塑性压痕破裂理论，他们认为在压痕区域下形成了弹性变形区，而后在负荷的作用下，中间裂纹从弹性区向下扩展，形成径向裂纹。
同时，在最初的负荷超过中间裂纹的门槛值时，即使没有持续负荷，材料的残余应力也会导致横向裂纹的扩展。
液_固两相流冲蚀磨损机理及材料应用现状
收稿日期:2005204227; 修订日期:2005205212作者简介:陈 茜(19772 ),四川中江人,助理工程师.从事技术管理工作1铸造技术FOUNDR Y TECHNOLO GY Vol.26No.6J un.2005液/固两相流冲蚀磨损机理及材料应用现状陈 茜1,鲍崇高2(1.甘肃省金川集团有限公司,甘肃金昌737104;2.西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安710049)摘要:冲蚀磨损存在的工况多,材料失效和工业工程破坏严重。
通过分析液/固双相流过流部件的材料应用及发展现状,冲蚀磨损机理研究现状等,对指导该工况下材料设计、性能研究,特别是新型抗冲蚀磨损材料的应用等至关重要。
关键词:冲蚀磨损;机理研究;材料应用中图分类号:T G174.1 文献标识码:A 文章编号:100028365(2005)0620548203Mechanism and Materials Application by Liquid 2Solid Du al PhaseE rosion Wear and Its R esearch AdvancesCH EN Qian 1,BAO Chong 2gao 2(1.Gansu Jinchuan Group Ltd.,Jinchuan 737104,China ;2.School of Material Sci.&Eng.,Xi ’an Jiaotong University ,Xi ’an 710049,China )Abstract :Erosion 2wear conditio n exist in many industry ,and materials failure and engineering dest royed are serious.In t his paper ,mechanism research and materials application by liquid 2solid dual p hase ero sion wear and it s research advances have been systematically st udied ,and it is very important to guidance materials design and performance st udy ,especially new materials application wit h resistant erosion wear.K ey w ords :Ero sion 2wear ;Mechanism research ;Materials application 1 工程背景冲刷腐蚀(Ero sion 2Corro sion )是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象[1],是材料受冲刷和腐蚀协同作用的结果。
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K1rav0b
• 对球形磨粒：
a3 m m2
• 对多角形磨粒： a 3.6 m m2
• 对任一形状磨粒：
b 2.4
m
m2
其中
K1
E
0.8
2 b
• E为靶材的弹性模量
• δb为材料的弯曲强度 • r为磨粒的尺寸
• v0为磨粒的速度 • m为材料缺陷分布常数
• 实验表明，几种脆性材料的a和b实验值与理论 值基本一致（如玻璃、Mg O、石墨等）
Q) (V sinα)1/2
M
2Q [V 2cos2α-K1(V sinα-K ) 3/2
Α＞α0
• W = WD + WC • M为冲击磨粒的质量
• V为磨粒的速度；α为冲击角；ε为变形磨损系 数；Q为切削磨损系数；α0为两式相等时的角
度；C、K、K1都为常数 • 该理论设想正确，并得到证实。
• 谢尔登和凯希尔，1972，第一台单颗粒冲蚀磨 损实验机，2.5mm，SiC磨料、钢球、玻璃球， 直接观察到磨痕形貌，冲击坑边缘的“挤出 唇”，并很容易被后冲击的磨粒打掉。
• 磨粒如一把微型刀具，当它划过靶材表面时，
变把材料切除而产生磨损。
• 公式表明：材料的磨损体积与磨粒的质量和速 度的平方（即磨粒的动能）成正比，与靶材的 流动应力成反比，与冲角α成函数关系。
• 实验研究表明：对于延性材料，多角形磨粒，
小冲角的冲蚀磨损，切削模型非常适用；
• 对于不很典型的延性材料（如一般的工程材 料），脆性材料，非多角形磨粒（如球形磨 粒），冲角比较大（特别是冲角=90°）的冲 蚀磨损偏差较大。
四、绝热剪切与变形局部化磨损理论
• 哈青斯，1979，9.5mm，钢球，Biblioteka 70m/s，冲击 低碳钢发现变形唇。
• 在一个狭窄的带状区域变形非常严重。 • 高速摄影机研究粒子冲击过程，估算冲蚀时材
料的应变率高达105~107s-1。 • 高应变率导致很高温升。
• 首先是使变形过程绝热化，
• 其次是变形的局部化将形成绝热剪切带。
变形有关。 • 反复冲击产生加工硬化，提高材料的弹性极限，
直到应力超过材料的硬度，形成裂纹。 • 从能量角度出发，推导出变形磨损量WD和切削
磨损量WC；
• WD=M（V sinα-K）2/2ε
2MC(V sinα -K)2× (V sinα）1/2
α＜α0
C(V sinα-K)2
W c= × ( V sinα -
国内外研究工作开展较多，本课程主要介绍气体介 质携带固体磨粒对材料表面的冲蚀磨损。
§1 冲蚀磨损理论
• 影响较大的理论有：
• 延性材料的切削磨损理论 • 脆性材料的断裂磨损理论 • 变形磨损理论 • 绝热剪切与变形局部化磨损理论 • 薄片剥落磨损理论
一、延性材料的切削理论 • 芬尼（Finnie.I.），1958，物理模型
二、脆性材料的切削理论
• 脆性材料在磨料冲击下几乎不产生变形。 • 芬尼等人根据赫兹应力分析，认为是在缺陷的
地方产生裂纹裂纹不断扩展而形成碎片剥落。 • 当磨粒尺寸较大时，磨损量随冲角的增加而增
加。当冲角等于90°时，磨损量最大。
模型
• 谢尔登（Sheldon）和芬尼， 1966， • 冲角为90°，脆性材料，冲蚀磨损， • 脆性材料的断裂模型 • 脆性材料（单位重量磨粒）冲蚀磨损量的
冲蚀磨损
概述
冲蚀磨损：是指流体或固体颗粒以一定的速度和角 度对材料表面进行冲击所造成的磨损。
冲蚀磨损可分为：分气固冲蚀、流体冲蚀、液滴冲 蚀及气蚀（根据颗粒及其携带介质的不同） 。
冲蚀磨损现象在生产、生活中普遍存在。造成损失 和危害严重，但也有应用其原理对机器零件表面进 行清理和强化，如喷砂和喷丸等。
• 在这个软的表面层下面，有一个由于材料塑 性变形而产生的加工硬化区。
• 这个硬的次表层一旦形成，将会对表面层薄 片的形成起促进作用。
• 在反复的冲击和挤压变形作用下，靶材表面 形成的薄片将从材料表面上剥落下来。
• 理论得到许多研究者的赞同和证实。
• 是当前延性材料冲蚀磨损中一种比较有前途 的磨损理论。
§2 影响冲蚀磨损的主要因素
一、磨粒的影响 ⒈磨粒硬度的影响 一般认为冲蚀磨损量是磨粒硬度的函数
K H 2.3
⒉磨粒形状的影响
✓ 尖角形的磨粒比圆球形磨粒在同样条件下产 生更大的冲蚀磨损；
✓ 圆球形磨粒冲蚀时，靶材以犁沟变形为主， 多角形的磨粒冲蚀则以切削为主；
✓ 磨料形状对产生最大磨损的冲角有影响；
• 埃文斯（Evans）研究：
• 脆性材料的冲蚀磨损体积V决定于靶材和磨粒 的性质，表达式与实验吻合很好。
靶材的断裂韧性
靶材的硬度
13 11 19
4
1
Vv0 6 r 3 12 KC 3 H 4
冲蚀速度 磨粒尺寸 磨粒的密度
三、变形磨损理论
• 比特（Bitter），1963，提出： • 冲蚀磨损分为变形磨损与切削磨损； • 90°冲角下的冲蚀磨损是和粒子冲击时靶材的
切削几何模型
α
F P
切削过程中作用在磨 粒上的接触应力
模型
• 模型假设一颗多角形磨粒，质量为m，以一定 速度v，冲角α冲击到靶材的表面。
• 理论分析的靶材的磨损体积：
V K mv2 f
p
f
sin 2 3sin2 18.5
cos2
3
18.5
• m----冲蚀磨粒的质量；v----磨粒的冲蚀速度 • V----靶材的磨损体积；P-----靶材的流动应力 • α-----磨粒的冲击角 ；K-----常数
✓ 延性材料产生最大磨损的冲角约为16~30°； ✓ 但是脆性材料的与磨粒形状关系不大。
• 哈青斯首先把绝热剪切与变形局部化概念引入 冲蚀磨损过程中。
• 证明：钛（哈青斯）、铝（克里帝曼）、铜 （奎迪耳）、材料熔化现象（尤斯特和布朗）、 20钢（中国矿大）、
• 火花现象、熔化的球状磨屑现象（ 272页照片）
• 现在已经得到普遍承认，一些研究者并提出了 相应的数学模型。
五、薄片剥落磨损理论
• 莱维及其同事使用分步冲蚀实验法和单颗粒寻 迹法研究冲蚀磨损的动态过程。
• 发现不论大冲角（如90°）还是小冲角的冲蚀 磨损，由于磨粒的不断冲击，使靶材表面材料 不断受到前推后挤，于是产生小的、薄的、高 度变形的薄片。
• 形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中，该 表面层由于绝热剪切变形而被加热到（或接近 于）金属的退火温度，形成一个软的表面层。